C++教程：NULL 指針、零指針、野指針

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1. 空指針、NULL指針、零指針

1.1什么是空指針常量

0、0L、”、3 – 3、0 * 17 (它們都是“integer constant expression”)以及 (void*)0 (我覺得(void*)0應(yīng)該算是一個(gè)空指針吧，更恰當(dāng)一點(diǎn))等都是空指針常量(注意 (char*) 0 不叫空指針常量，只是一個(gè)空指針值)。至于系統(tǒng)選取哪種形式作為空指針常量使用，則是實(shí)現(xiàn)相關(guān)的。一般的 C 系統(tǒng)選擇 (void*)0 或者 0 的居多(也有個(gè)別的選擇 0L);至于 C++ 系統(tǒng)，由于存在嚴(yán)格的類型轉(zhuǎn)化的要求，void* 不能象 C 中那樣自由轉(zhuǎn)換為其它指針類型，所以通常選 0 作為空指針常量(C++標(biāo)準(zhǔn)推薦)，而不選擇 (void*)0。

1.2 什么是空指針

如果 p 是一個(gè)指針變量，則 p = 0; p = 0L; p = ”; p = 3 – 3; p = 0 * 17; 中的任何一種賦值操作之后(對(duì)于 C 來說還可以是 p = (void*)0;)， p 都成為一個(gè)空指針，由系統(tǒng)保證空指針不指向任何實(shí)際的對(duì)象或者函數(shù)。反過來說，任何對(duì)象或者函數(shù)的地址都不可能是空指針。(比如這里的(void*)0就是一個(gè)空指針。把它理解為null pointer還是null pointer constant會(huì)有微秒的不同，當(dāng)然也不是緊要了)。其實(shí)空指針只是一種編程概念，就如一個(gè)容器可能有空和非空兩種基本狀態(tài)。

1.3 NULL 指針

NULL 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的宏定義，用來表示空指針常量。因此，除了上面的各種賦值方式之外，還可以用 p = NULL; 來使 p 成為一個(gè)空指針。

(很多系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)：#define NULL (void*)0，與這里的“a null pointer constant”并不是完全一致的)

C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)定義的NULL指針

// Define NULL pointer value

#ifndef NULL

# ifdef __cplusplus

# define NULL 0

# else

# define NULL ((void *)0)

# endif

#endif // NULL

NULL是一個(gè)宏，在C++里面被直接被定義成了整數(shù)立即數(shù)類型的0，而在沒有__cplusplus定義的前提下，就被定義成一個(gè)值是0的void *類型指針常量。

1.4 零指針

零值指針，是值為0的指針，可以是任何一種指針類型，可以是通用變體類型void*，也可以是char*，int*等等。

在C++里面，任何一個(gè)概念都要以一種語(yǔ)言內(nèi)存公認(rèn)的形式表現(xiàn)出來，例如std::vector會(huì)提供一個(gè)empty()子函數(shù)來返回容器是否為空，然而對(duì)于一個(gè)基本數(shù)值類型(或者說只是一個(gè)類似整數(shù)類型的類型)我們不可能將其抽象成一個(gè)類(當(dāng)然除了auto_ptr等只能指針)來提供其詳細(xì)的狀態(tài)說明，所以我們需要一個(gè)特殊值來做為這種狀態(tài)的表現(xiàn)。

C++標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)一個(gè)指針類型的數(shù)值是0時(shí)，認(rèn)為這個(gè)指針是空的。(我們?cè)谄渌臉?biāo)準(zhǔn)下或許可以使用其他的特殊值來定義我們需要的NULL實(shí)現(xiàn)，可以是1，可以是2，是隨實(shí)現(xiàn)要求而定的，但是在標(biāo)準(zhǔn)C++下面我們用0來實(shí)現(xiàn)NULL指針)

1.5 空指針向了內(nèi)存的什么地方(空指針的內(nèi)部實(shí)現(xiàn))?

標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)空指針指向內(nèi)存中的什么地方這一個(gè)問題作出規(guī)定，也就是說用哪個(gè)具體的地址值(0x0 地址還是某一特定地址)表示空指針取決于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。我們常見的空指針一般指向 0 地址，即空指針的內(nèi)部用全 0 來表示(zero null pointer，零空指針);也有一些系統(tǒng)用一些特殊的地址值或者特殊的方式表示空指針(nonzero null pointer，非零空指針)，具體請(qǐng)參見C FAQ。

在實(shí)際編程中不需要了解在我們的系統(tǒng)上空指針到底是一個(gè) zero null pointer 還是 nonzero null pointer，我們只需要了解一個(gè)指針是否是空指針就可以了——編譯器會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其中的轉(zhuǎn)換，為我們屏蔽其中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。注意：不要把空指針的內(nèi)部表示等同于整數(shù) 0 的對(duì)象表示——如上所述，有時(shí)它們是不同的。

1.6 對(duì)空指針實(shí)現(xiàn)的保護(hù)政策

既然我們選擇了0作為空的概念，在非法訪問空的時(shí)候我們需要保護(hù)以及報(bào)錯(cuò)。因此，編譯器和系統(tǒng)提供了很好的政策。

我們程序中的指針其實(shí)是WINDOWS內(nèi)存段偏移后的地址，而不是實(shí)際的物理地址，所以不同的程序中的零值指針指向的同一個(gè)0地址，其實(shí)在內(nèi)存中都不是物理內(nèi)存的開端的0，而是分段的內(nèi)存的開端，這里我們需要簡(jiǎn)單介紹一下WINDOWS下的內(nèi)存分配和管理制度：

WINDOWS下，執(zhí)行文件(PE文件)在被調(diào)用后，系統(tǒng)會(huì)分配給它一個(gè)額定大小的內(nèi)存段用于映射這個(gè)程序的所有內(nèi)容(就是磁盤上的內(nèi)容)并且為這個(gè)段進(jìn)行新的偏移計(jì)算，也就是說我們的程序中訪問的所有NEAR指針都是在我們“自家”的段里面的，當(dāng)我們要訪問FAR指針的時(shí)候，我們其實(shí)是跳出了“自家的院子”到了他人的地方，我們需要一個(gè)段偏移地址來完成新的偏移(人家家里的偏移)所以我們的指針可能是OE02:0045就是告訴系統(tǒng)我們要訪問0E02個(gè)內(nèi)存段的0045好偏移，然后WINDOWS會(huì)自動(dòng)給我們找到0E02段的開始偏移，然后為我們計(jì)算真實(shí)的物理地址。

所以程序A中的零值指針和程序B中的零值指針指向的地方可能是完全不同的。

保護(hù)政策：

我們的程序在使用的是系統(tǒng)給定的一個(gè)段，程序中的零值指針指向這個(gè)段的開端，為了保證NULL概念，系統(tǒng)為我們這個(gè)段的開頭64K內(nèi)存做了苛刻的規(guī)定，根據(jù)虛擬內(nèi)存訪問權(quán)限控制，我們程序中(低訪問權(quán)限)訪問要求高訪問權(quán)限的這64K內(nèi)存被視作是不容許的，所以會(huì)必然引發(fā)Access Volitation 錯(cuò)誤，而這高權(quán)限的64K內(nèi)存是一塊保留內(nèi)存(即不能被程序動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配器分配，不能被訪問，也不能被使用)，就是簡(jiǎn)單的保留，不作任何使用。

我們?cè)谥苯佣x一個(gè)指針后并不知道這個(gè)指針指向何處(而不是有些程序員認(rèn)為的如同JAVA等語(yǔ)言會(huì)自動(dòng)零值初始化)，所以我們一旦非法地直接訪問這些未知地內(nèi)容時(shí)，極其有可能會(huì)觸碰到程序所不能觸碰地內(nèi)存(這時(shí)類似64K限制地保護(hù)政策又會(huì)起效，就如同你不僅隨意闖入了陌生人的家(野指針)，而且拿著刀子要問他要錢(訪問)，警察(WINDOWS內(nèi)存訪問保護(hù)政策)當(dāng)然請(qǐng)你去警察局(報(bào)錯(cuò))談?wù)?，所以養(yǎng)成良好的指針初始化(賦值為NULL)以及使用FREE(或者時(shí)DELETE)之后立即再初始化為空是十分必要的!

1.7 為什么通過空指針讀寫的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)異常?

NULL指針分配的分區(qū)：其范圍是從 0x00000000到0x0000FFFF。這段空間是空閑的，對(duì)于空閑的空間而言，沒有相應(yīng)的物理存儲(chǔ)器與之相對(duì)應(yīng)，所以對(duì)這段空間來說，任何讀寫操作都是會(huì)引起異常的?？罩羔樖浅绦驘o(wú)論在何時(shí)都沒有物理存儲(chǔ)器與之對(duì)應(yīng)的地址。為了保障“無(wú)論何時(shí)”這個(gè)條件，需要人為劃分一個(gè)空指針的區(qū)域，固有上面NULL指針分區(qū)。

1.8 是否可以定義自己的 NULL 的實(shí)現(xiàn)?

NULL 是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的一個(gè)reserved identifier (保留標(biāo)識(shí)符)。所以，如果包含了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頭文件而引入了 NULL 的話，則再在程序中重新定義 NULL 為不同的內(nèi)容是非法的，其行為是未定義的。也就是說，如果是符合標(biāo)準(zhǔn)的程序，其 NULL 的值只能是 0，不可能是除 0 之外的其它值，比如 1、2、3 等。

1.9 malloc 函數(shù)在分配內(nèi)存失敗時(shí)返回 0 還是 NULL?

malloc 函數(shù)是標(biāo)準(zhǔn) C 規(guī)定的庫(kù)函數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了在其內(nèi)存分配失敗時(shí)返回的是一個(gè) “null pointer”(空指針)。對(duì)于空指針值，一般的文檔(比如 man)中傾向于用 NULL 表示，而沒有直接說成 0。但是我們應(yīng)該清楚：對(duì)于指針類型來說，返回 NULL 和 返回 0 是完全等價(jià)的，因?yàn)?NULL 和 0 都表示 “null pointer”(空指針)。(一般系統(tǒng)中手冊(cè)中都返回NULL)

C++里面的NEW再內(nèi)存失敗是會(huì)拋出一個(gè)BAD_ALLOC異常。

2. 野指針

“野指針”不是NULL指針，是指向“垃圾”內(nèi)存的指針。

2.1 “野指針”的成因主要有兩種

1)指針變量沒有被初始化。任何指針變量剛被創(chuàng)建時(shí)不會(huì)自動(dòng)成為NULL指針，它的缺省值是隨機(jī)的，它會(huì)亂指一氣。所以，指針變量在創(chuàng)建的同時(shí)應(yīng)當(dāng)被初始化，要么將指針設(shè)置為NULL，要么讓它指向合法的內(nèi)存。例如：

char *p = NULL;

char *str = (char *) malloc(100);

2)指針p被free或者delete之后，沒有置為NULL，讓人誤以為p是個(gè)合法的指針。

free和delete只是把指針?biāo)傅膬?nèi)存給釋放掉，但并沒有把指針本身干掉。free以后其地址仍然不變(非NULL)，只是該地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)存是垃圾，p成了“野指針”。如果此時(shí)不把p設(shè)置為NULL，會(huì)讓人誤以為p是個(gè)合法的指針。如果程序比較長(zhǎng)，我們有時(shí)記不住p所指的內(nèi)存是否已經(jīng)被釋放，在繼續(xù)使用p之前，通常會(huì)用語(yǔ)句if (p != NULL)進(jìn)行防錯(cuò)處理。很遺憾，此時(shí)if語(yǔ)句起不到防錯(cuò)作用，因?yàn)榧幢鉷不是NULL指針，它也不指向合法的內(nèi)存塊。

char *p = (char *) malloc(100);

strcpy(p, “hello”);

free(p); // p 所指的內(nèi)存被釋放，但是p所指的地址仍然不變

…

if(p != NULL) // 沒有起到防錯(cuò)作用

{

strcpy(p, “world”); // 出錯(cuò)

}

3)指針操作超越了變量的作用范圍。這種情況讓人防不勝防，示例程序如下：

class A

{

public:

void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }

};

void Test(void)

{

A *p;

{

A a;

p = &a; // 注意 a 的生命期 ，只在這個(gè)程序塊中(花括號(hào)里面的兩行)，而不是整個(gè)test函數(shù)

}

p->Func(); // p是“野指針”

}

函數(shù)Test在執(zhí)行語(yǔ)句p->Func()時(shí)，對(duì)象a已經(jīng)消失，而p是指向a的，所以p就成了“野指針”。

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